超高层建筑10 kV应急电源系统的应用研究

2015-03-22钱大勋同济大学建筑设计研究院集团有限公司上海200092

现代建筑电气 2015年10期

关键词：投切发电机组分区

夏林, 钱大勋, 罗武[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

夏林, 钱大勋, 罗武
[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

比较了超高层建筑应急电源供电系统的几种方案,进行了经济技术、综合性能分析,以选择最佳的超高层建筑应急电源供电系统,可为类似超高层建筑电气设计提供参考。

超高层建筑；发电机；应急电源系统；供电

0 引言

随着建筑高度的提升,超高层建筑供配电系统的应灾能力、供电的可靠性和持续性要求进一步提高。尤其是作为城市发展里程碑的城市标志性超高层建筑,不仅体量大、供电系统复杂,同时伴随着重要客户和重要设备的介入,存在大量的特别重要负荷和一级负荷,对供电的可靠性提出了更高的要求。一旦出现外线市电失电或内部因灾(火灾等)、关键电气设备故障造成局部区域失电,就需要应急电源系统迅速可靠地投切供电,以保障人员和重要财产的安全,将灾害停电区域降至最小,恢复供电时间最短。

超高层建筑供配电系统具有变电所分布广、无人值守等特点,因此电力监控系统和应急电源监控系统应具有可靠的响应和对事故的准确判断,以确保应急电源的可靠投切及投切时间满足消防和设备允许中断供电的时间要求。

1 应急电源系统

应急电源系统是为确保正常市电供电全部失效或部分失效而提供的应急电源,是重要应急设备的应急供电。因此,应急电源系统应确保其自身的可靠性,这需要平时重点加强维护,设备和线路应具有独立性,非重要应急设备不应接入应急电源系统,以防止非应急设备影响应急电源系统的可靠性。

超高层建筑应急电源系统应满足以下要求:

(1) 应急电源设备自身的性能可靠。

(2) 应急电源系统的可靠性高。

(3) 需要考虑关键设备和线路的冗余。

(4) 投切时间满足消防和设备允许中断供电的时间要求。

(5) 正常供电和应急电源监控系统可靠、完善。

(6) 应急电源系统应具有独立性,便于加强维护。

超高层建筑的应急电源通常由应急柴油发电机组和不间断电源(UPS和EPS)组合而成,应急柴油发电机组适合大容量、允许停电时间>15 s的应急电源设备。对于允许停电时间<0.5 s的应急电源设备,则采用UPS;对于允许停电时间<5.0 s的应急电源设备,则采用UPS或EPS。因此,为了确保允许停电时间<15 s,应急电源设备应是应急柴油发电机组和不间断电源的组合。

超高层建筑中有大量特别重要负荷等保障性负荷,因此应将柴油发电机组作为大容量的应急电源。通常采用0.4 kV(低压)和10 kV(高压)的柴油发电机组,当传输距离满足电压质量要求时,应当采用0.4 kV发电机组；当传输距离不能满足电压质量要求时,则采用电压等级为10 kV的柴油发电机组。

由于10 kV发电机组需要通过10 kV保护开关、10/0.4 kV变压器等设备提供应急电源,系统中存在配变电设备,因此10 kV发电机组的供电可靠性较0.4 kV发电机组的有所降低。

通过以上分析可知,超高层建筑应急柴油发电机组低区采用0.4 kV发电机组,而高区采用10 kV发电机组,或全部采用10 kV发电机组并机供电。

2 超高层10 kV应急电源供配电系统方案

超高层建筑10 kV应急电源由10 kV应急柴油发电机单机或并机提供,如何与建筑内市电切换是保障应急电源供配电系统可靠性的关键。本文就常见的10 kV发电机组并机作为应急电源的供配电系统方案进行技术经济分析比较。

10 kV应急电源供配电系统方案比较优化原则如下:

(1) 应急电源系统应满足国家相关标准和规范。

(2) 应急电源系统应满足大楼应灾时人员和重要财产安全的应急电源供电和重要客户停电时仍需工作的备用电源供电的需求,优先保障应急电源供电的需求。

(3) 应急电源系统应尽可能保持独立性,便于应急电源设备加强维护,提高可靠性。

(4) 应急电源系统转换允许停电时间不大于15 s。

(5) 满足应急电源系统可靠性的基础上,尽可能减少投资。

(6) 应急电源10 kV投切要求可靠。

(7) 应急电源系统控制一旦失效,其影响应降至最低,并能通过专业人员的简单操控及时恢复应急电源的供电;尽可能减少停电事故的发生,并控制停电故障区域,缩短停电恢复时间。

2.1 方案一:专用变压器分布式应急电源供电

该方案中10 kV应急电源线路至分区设置10/0.4 kV专用应急变压器，如图1所示。当市电故障停电时,起动发电机即可提供应急电源。

图1 方案一

优点:

(1) 系统接线简单。

(2) 应急电源系统分界明确,利于维护。

(3) 应急电源低压投切,无需依赖变电所控制系统投切,应急电源供电时间最快。

缺点:

(1) 应急专用变压器平时不带电运行,其可靠性取决于维护,提高了维护成本和运行风险。

(2) 分变电所设置应急专用变压器,增加了占地和投资。

(3) 应急电源容量受制于应急变压器容量,不利于系统应急备用电源的充分利用。

(4) 专用应急变压器平时无法带载维护,且内部线包容易受潮,该类故障不容易发现,一旦故障,系统可靠性得不到有效保障。

(5) 单回路应急电源供电线路,没有线路冗余。

2.2 方案二:10 kV总配应急电源双路切换供电

该方案中10 kV应急电源提供双路,分别与市电10 kV总配主开关切换供电,如图2所示。当任何一路市电或一台主变故障或检修失电时,应急发电机组起动,并将各分区变电站的非保障负荷切除,通过与主变主开关连锁的应急电源开关闭合,顺序提供各分区应急电源供电(发电机初期带载能力受限,需调节负荷的带载量)。

图2 方案二

优点:

(1) 投资最省,机房总占地面积小。

(2) 切换节点最少。

(3) 双回路10 kV应急电源供电,线路有冗余。

(4) 切换点在10 kV总配,便于操作人员维护。

缺点:

(1) 切换点在总配主开关侧,一旦切换失效,将影响整个大楼的应急电源供电,风险大。

(2) 10 kV总配后应急电源系统无相对独立性,应急电源与非应急电源合用配电系统和线路,失电后需要通过控制系统自动切除非保障负荷,不能完全满足GB 50052—2009《供配电设计规范》的要求。

(3) 应急电源设备需要加强维护来提高可靠性,由于应急电源与非应急电源合用配电系统,因此加强维护不能得到保证。

(4) 应急电源系统投切依赖于控制系统,对控制系统的可靠性要求高。

(5) 由于复杂的开关连锁动作,应急电源系统转换允许停电时间不大于15 s难度较大。

2.3 方案三:10 kV应急电源分布式单路切换供电

该方案中10 kV应急电源单路至分区变电所,与分区一侧主开关实现连锁投切，如图3所示。当市电故障停电时,应急发电机组起动,并将分区变电站的非保障负荷切除,通过与分区主开关连锁的应急电源开关闭合,顺序提供各分区应急电源供电(发电机初期带载能力受限,需调节负荷的带载量)。

图3 方案三

优点:采取点到点的分区专线、专供方式,风险分散,供电安全性较方案二的高。

缺点:

(1) 应急电源单回路供电,电缆故障、分区母线故障时,该分区应急电源供电失效。

(2) 分区10 kV配电后应急电源系统无相对独立性,应急电源与非应急电源合用配电系统和线路,失电后需要通过控制系统自动切除非保障负荷,仍不能完全满足GB 50052—2009的要求;

(3) 应急电源系统投切依赖于控制系统,对控制系统的可靠性要求高。

(4) 由于复杂的开关连锁动作,应急电源系统转换允许停电时间不大于15 s难度较大。

2.4 方案四:10 kV应急电源分布式双路切换供电

该方案中10 kV应急电源双路至分区变电所,分别与分区主开关实现连锁投切,如图4所示。当市电故障停电时,应急发电机组起动,并将分区变电站的非保障负荷切除,通过与分区主开关连锁的应急电源开关闭合,顺序提供各分区应急电源供电(发电机初期带载能力受限,需调节负荷的带载量)。

图4 方案四

优点:

(1) 采取点到点的分区专线、专供方式,风险分散,供电安全性较方案二的高。

(2) 双回路10 kV应急电源供电,线路有冗余,供电可靠性、安全性较方案三有明显提高。

缺点:

(1) 分区10 kV配电后应急电源系统无相对独立性,应急电源与非应急电源合用配电系统和线路,失电后需要通过控制系统自动切除非保障负荷,仍不能完全满足GB 50052—2009的要求。

(2) 应急电源系统投切依赖于控制系统,对控制系统的可靠性要求高。

(3) 较方案三增加了线路和切换点,增加造价和占用空间。

(4) 由于复杂的开关连锁动作,应急电源系统转换允许停电时间不大于15 s难度较大。

2.5 方案五:10 kV应急电源分区专设应急母线投切

该方案中10 kV应急电源单路供电至分区变电站,市电和应急电源10 kV开关连锁组成电源自动转换开关投切,如图5所示。当市电侧母线故障失电时,分区变电站市电与应急电源10 kV开关连锁实现自动转换投切,设置专用应急电源变压器,带分区全部重要保障负荷。该变压器平时正常使用,市电故障失电时,作为应急电源的专用变压器。

图5 方案五

该方案特点如下:

(1) 应急电源分区供电,采取点到点的分区专线、专供方式,降低风险,供电可靠性、安全性高。

(2) 分区市电与应急电源10 kV开关连锁组成自动电源转换,不依赖控制系统,极大地提高了应急电源系统投切的可靠性。

(3) 应急电源系统完全独立,应急电源与非应急电源配电系统和线路分开设置,失电后无需通过控制系统自动切除非保障负荷,满足GB 50052—2009的要求。

(4) 没有复杂的非保障负荷切除要求,应急电源系统转换允许停电时间快速。

(5) 设置专用应急电源变压器,带分区全部重要保障负荷,平时参与正常运行,市电故障失电时作为应急电源的专用变压器,加强维护方便,不会出现平时不带载而引起内部线包受潮等隐患。

(6) 应急电源10 kV线路采用专用竖井和耐火3h的阻燃耐火电缆,确保电缆的质量和火灾的持续供电能力,采用单路专线至分区变电所,降低了造价。

(7) 应急电源系统控制一旦投切失效,仅影响该分区的应急电源供电,并能通过专业人员的简单操控及时恢复应急电源的供电,尽可能较少停电故障区域和停电恢复时间。

3 方案综合技术经济分析

某超高层项目的经济技术分析和综合性能分析如表1、表2所示。由表1、表2可知,方案五具有可靠性最高、应急电源转换投切快速、系统操控相对简单、维护方便、造价较低等综合性能优势,为最优方案。

表1 经济技术分析

注:上述内容仅包含应急电源配电系统主要电气设备,不含变配电相关监控系统的费用。

表2 综合性能分析

注:上述内容仅包含应急电源配电系统主要电气设备,不含变配电相关监控系统的费用。

4 结语

超高层建筑供配电系统复杂,特别重要等保障性负荷特别多,建设方对供配电系统的可靠性要求极高,而应急电源作为供配电系统的保障尤为重要,不仅需采用性能可靠的应急柴油发电机组,更需要有应急电源供电系统作为保障。

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[6] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

Application Research of 10 kV Emergency Power System for Super High-rise Building

XIA Lin, QIAN Daxun, LUO Wu

[Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

This paper compared the multi schemes of emergency power supply system for super high-rise building,and analyzed the technical & economic analysis and comprehensive performance.The optimal scheme of emergency power supply system for super high-rise building was chosen.It could provide references for electric design of similar super high-rise building.

super high-rise building; generator; emergency power system; power supply